收稿日期：2022-12-05

基金項(xiàng)目：青島市關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化示范類（23-1-3-hygg-16-hy）

通信作者：袁 田（1974—），男，碩士、講師，主要從事相關(guān)反應(yīng)器設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化方面的研究。liuxuewu@dlut.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1867 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0492-07

摘 要：基于儲(chǔ)氫合金LaNi5吸放氫性能，建立金屬氫化物的儲(chǔ)氫數(shù)值模型，并利用COMSOL軟件進(jìn)行模型的模擬研究，重點(diǎn)分析直管、翅片與螺旋管結(jié)構(gòu)對(duì)容器吸氫和放氫性能的影響。結(jié)果表明： 內(nèi)壁加翅片、帶有螺旋管換熱的兩種結(jié)構(gòu)能有效提高儲(chǔ)氫容器吸氫速率，大幅縮短吸/放氫過(guò)程時(shí)間；溫度云圖顯示，容器內(nèi)壁加翅片的結(jié)構(gòu)，熱量是從壁面向容器中心進(jìn)行傳導(dǎo)；對(duì)于容器內(nèi)部增加螺旋管換熱結(jié)構(gòu)，傳熱是從螺旋管向四周進(jìn)行，且傳熱效率更高。與初始模型相比，帶有螺旋管換熱器結(jié)構(gòu)其吸/放氫質(zhì)量達(dá)到最大質(zhì)量90%所需時(shí)間分別減少31.58%和31.12%。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氫合金；換熱翅片；傳熱性能；儲(chǔ)氫容器；螺旋管

中圖分類號(hào)：TM911 """"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

氫能作為電力調(diào)峰重要手段之一，已引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。與綠氫相匹配的電解水制氫工藝和大型裝備已具備商業(yè)推廣條件，但其儲(chǔ)運(yùn)成為關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)［1］。近年來(lái)，金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)得到廣泛關(guān)注與快速發(fā)展，與其他儲(chǔ)氫技術(shù)相比，其體積密度高，且操作溫度與壓強(qiáng)較低，儲(chǔ)氫條件溫和，能大幅提高氫能儲(chǔ)存的安全性能，是非常具有優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)氫方式［2］。

金屬氫化物儲(chǔ)氫原理是，利用儲(chǔ)氫合金材料與氫氣在不同條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來(lái)吸收與解吸氫氣，這種儲(chǔ)氫方式解決了傳統(tǒng)高壓儲(chǔ)氫或液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)存在的儲(chǔ)存條件苛刻、能量損失大、成本高、安全性差等制約因素［3］。金屬氫化物儲(chǔ)氫系統(tǒng)的特性受到儲(chǔ)氫容器的制約，氫流溫度、壓強(qiáng)、流速對(duì)其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，且也受儲(chǔ)氫容器的結(jié)構(gòu)與性能影響［3-4］；金屬氫化物材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，且存在吸氫膨脹、易粉化等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)金屬氫化物儲(chǔ)氫容器更高效的傳熱附件及研究氫氣與金屬氫化物傳熱傳質(zhì)規(guī)律，是目前主要研究方向［5-7］。

本文基于以LaNi5為儲(chǔ)氫合金材料的反應(yīng)器，建立5種不同結(jié)構(gòu)二維軸對(duì)稱數(shù)學(xué)模型，研究不同結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)氫容器傳熱性能及合金材料吸放氫速率的影響因素。通過(guò)定量比較吸放氫速率和最大吸氫量等放氫性能參數(shù)，確定了螺旋管與翅片對(duì)儲(chǔ)氫容器傳熱方式的影響程度，為儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化思路。

1 儲(chǔ)氫容器傳熱數(shù)值模型

1.1 幾何模型

模擬中的儲(chǔ)氫容器初始模型為圓柱形，其內(nèi)徑50 mm、高60 mm，合金材料選用LaNi5，容器上端部開有直徑10 mm進(jìn)出氣口，整個(gè)容器浸入換熱水浴中，不含其他附屬結(jié)構(gòu)。由此初始模型，增設(shè)傳熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)5種具有不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氫容器，如圖1所示。其中，結(jié)構(gòu)E的螺旋管的尺寸參數(shù)為：盤徑[Dc=30]mm，管徑[Dt=4] mm，螺距[Pt=7] mm，匝數(shù)為6。

1.2 模型假設(shè)

該模型中的假設(shè)［8-9］如下：1）氫氣作為理想氣體進(jìn)行研究；2）合金材料視為各向同性的均勻多孔介質(zhì)；3）儲(chǔ)氫容器內(nèi)氫氣和金屬氫化物之間局部熱平衡，即二者溫度設(shè)定相同；4）為模擬的簡(jiǎn)單化，暫不考慮金屬氫化物體積變化；5）金屬氫化物吸放氫時(shí)的物性恒定，如孔隙率、滲透性和導(dǎo)熱性；6）忽略儲(chǔ)氫容器壁面對(duì)傳熱性能的影響。

1.3 控制方程

1.3.1 質(zhì)量守恒方程

吸/放氫過(guò)程中氫氣的質(zhì)量守恒方程［10］為：

[εb?ρg?t=-m] （1）

式中：[m]——吸收/解吸氫氣質(zhì)量，kg/（m3·s）。文中符號(hào)說(shuō)明詳見表1。

氫氣被視為理想氣體，則有方程如式（2）所示：

[ρg=MgpgRTg]""" （2）

金屬氫化物質(zhì)量守恒方程為：

[1-εb?ρs?t=m]"""""" （3）

1.3.2 能量守恒方程

儲(chǔ)氫容器內(nèi)對(duì)應(yīng)的能量方程，柱坐標(biāo)系下［10］為：

[ρcpeff?T?t=λeff1r·??rr?T?r+λeff?2T?z2+"""""""""""""""""""" mΔH+Tcp，g-cp，s]" （4）

式中：[ρcpeff]——儲(chǔ)氫容器內(nèi)部的熱容，J/（kg·K）；[λeff]——儲(chǔ)氫容器內(nèi)部的導(dǎo)熱系數(shù)，W（m·K）。方程分別為：

[ρcpeff=εbρgcp，g+1-εbρscp，s]""" （5）

[λeff=εbλg+1-εbλs]"""" （6）

1.3.3 動(dòng)量守恒方程

氫氣在不同方向?qū)?yīng)的動(dòng)量守恒方程為：

[ρg?ui?t=-?pi?r+μ??r1r·??rrui+?2ui?z2-""""""""""""" ρgui?ui?r+ui?ui?z-Si，" i=r，z]"""""" （7）

式中：[Si]——?dú)錃鈮毫?，Pa/m，對(duì)于不同方向上的[Si]值，通過(guò)達(dá)西定律確定得到［11］：

[Si=μκui]""" （8）

1.3.4 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程

容器內(nèi)吸氫反應(yīng)與放氫反應(yīng)速率取決于氣體壓強(qiáng)與平衡壓強(qiáng)大小，由式（9）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程求解［12］：

[m=Caexp-EaRTlnpgpeq，aρsat-ρs， pggt;peq，aCdexp-EdRTlnpg-peq，dpeq，dρs-ρemp， pglt;peq，d0， pglt;peq，a，" pggt;peq，d]"""""" （9）

式中：[peq]——平衡壓強(qiáng)，MPa，可由Van’t Hoff方程得到。

本文研究的LaNi5合金與氫氣體系，平衡壓強(qiáng)時(shí)氫氣組成不變，壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系由式（10）確定［13］：

[lnpeqpref=A-BT]" （10）

對(duì)于吸氫反應(yīng)平衡壓強(qiáng)[peq，a]，[A=10.700、B=3704.6]；放氫反應(yīng)平衡壓強(qiáng)[peq，d，][A=10.570、][B=3704.6]［14］；[pref=1 MPa。]由于吸氫和放氫之間存在滯后效應(yīng)，因此[A]值有差異。

LaNi5合金在吸/放氫時(shí)，其吸/放氫質(zhì)量可通過(guò)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度的變化來(lái)反應(yīng)，表示為：

[ρwt.=ρs-ρempρemp×100%]"nbsp;"""" （11）

1.4 初始與邊界條件

1.4.1 初始條件

LaNi5合金吸氫/放氫時(shí)，初始時(shí)刻合金與外部換熱流體無(wú)換熱，即合金溫度與儲(chǔ)氫容器外壁面的換流體溫度Tf相等，且初始H2的流速為0。

[Tr，z，0=Tf]，[vr，z，0=0] （12）

對(duì)于吸氫反應(yīng)，LaNi5合金的初始密度為合金的空置密度，表示為[ρemp]。此時(shí)的初始?xì)錃鈮簭?qiáng)，即平衡壓強(qiáng)，表示為：

[ρsr，z，0=ρemp]，[pgr，z，0=peq，aTf]"" （13）

對(duì)于放氫反應(yīng)，LaNi5合金的初始密度為合金的飽和吸氫密度，表示為[ρsat]。初始?xì)錃鈮簭?qiáng)也為放氫反應(yīng)的平衡壓強(qiáng)，表示為：

[ρsr，z，0=ρsat]，[pgr，z，0=peq，dTf]"""" （14）

1.4.2 邊界條件

假定壁面存在向內(nèi)熱通量，幾何模型中沿?fù)Q熱外壁面，傳熱系數(shù)[h]，與冷/熱流體熱交換表示為：

[Q0=hT-Tf]""" （15）

吸氫時(shí)，入口壓強(qiáng)[peq，a=0.143]MPa在100 s內(nèi)升至[pm=0.8 MPa;]放氫時(shí)，出口壓強(qiáng)[peq，d=0.126 MPa]在100 s內(nèi)降至[pm=0.1 MPa]。

5種結(jié)構(gòu)的換熱邊界條件：結(jié)構(gòu)A、B與初始模型相同，為與儲(chǔ)氫容器外壁面換熱流體的對(duì)流換熱；結(jié)構(gòu)C、D和E為與中間換熱管內(nèi)的換熱流體對(duì)流換熱。

利用數(shù)值模擬軟件COMSOL Multiphysics 5.5進(jìn)行模型構(gòu)建，在求解過(guò)程中應(yīng)用了穩(wěn)定對(duì)流-擴(kuò)散方程、達(dá)西定律及多孔介質(zhì)傳熱等模型，利用的參數(shù)見表1。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性，建立4種網(wǎng)格模型。對(duì)Tf=293 K時(shí)的吸氫過(guò)程進(jìn)行離散化求解，選用時(shí)間相關(guān)求解器，步長(zhǎng)設(shè)定為5 s的間隔。利用儲(chǔ)氫容器內(nèi)的平均溫度數(shù)值對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證，4種不同網(wǎng)格（常規(guī)網(wǎng)格、細(xì)化網(wǎng)格、超細(xì)化網(wǎng)格和極細(xì)化網(wǎng)格）模擬結(jié)果如圖2a所示，對(duì)于超細(xì)化網(wǎng)格，其網(wǎng)格數(shù)為2644，模擬得到的平均溫度基本不變，符合網(wǎng)格獨(dú)立性。圖2b給出了超細(xì)化網(wǎng)格建立的儲(chǔ)氫容器模擬模型。

2.2 模型驗(yàn)證

Jemni等［17］建立恒溫水浴下的儲(chǔ)氫容器數(shù)值模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究。為驗(yàn)證本文建立模型的準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［17］數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖3所示。圖3a給出了儲(chǔ)氫容器在坐標(biāo)[r=15] mm、[z=35]mm處的溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖3b是313 K合金儲(chǔ)氫密度變化曲線，數(shù)據(jù)符合較好，這也驗(yàn)證了本模型模擬的可靠性。

2.3 不同結(jié)構(gòu)容器吸/放氫性能分析

2.3.1 吸氫性能比較

溫度[Tf=293 K]、入口壓強(qiáng)[pm=0.8 MPa]為初始條件，模擬吸氫過(guò)程。圖4給出了各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的平均溫度和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度變化曲線。表2給出了相應(yīng)的模擬數(shù)值。

由上述變化曲線和數(shù)據(jù)可知，與初始模型的儲(chǔ)氫容器相比，結(jié)構(gòu)B對(duì)應(yīng)的最高平均溫度數(shù)值有所降低，但吸氫速率變化不大，該結(jié)構(gòu)并未改善性能；結(jié)構(gòu)C、結(jié)構(gòu)D最大吸氫量是下降的、最高平均溫度有所增加，且吸氫速率下降較大，吸氫性能反而下降；結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)E吸氫量有所下降，但吸氫速率明顯提高，且最高平均溫度變化較小，吸氫性能相比較初始模型有較大改善。

注：1） 溫度，表示容器內(nèi)的最高平均溫度；2） 時(shí)間，表示達(dá)到最大吸氫量90%所需的時(shí)間；3） 變化率，是與初始模型所對(duì)應(yīng)的數(shù)值相比的。

2.3.2 放氫性能比較

在初始溫度[Tf=313 K]、出口壓強(qiáng)[pm=0.1 MPa]時(shí)進(jìn)行放氫過(guò)程模擬。由圖5和表3可知，與初始模型相比，結(jié)構(gòu)B的最低平均溫度更加降低，但放氫速率有所提高；結(jié)構(gòu)C和結(jié)構(gòu)D對(duì)應(yīng)的最大放氫量下降，且最低平均溫度與放氫速率都大幅降低，放氫性能有所下降；結(jié)構(gòu)E放氫量下降、但速率提高較多，且最低平均溫度變化不大，放氫性能比相較初始模型有較大改善。

注：1） 溫度，表示容器內(nèi)的最低平均溫度；2） 時(shí)間，表示達(dá)到最大放氫量90%所需的時(shí)間；3） 變化率，是與初始模型所對(duì)應(yīng)的數(shù)值相比的。

2.3.3 內(nèi)壁面翅片與換熱螺旋管容器性能研究

進(jìn)一步使用定量的研究方法，將內(nèi)壁面翅片結(jié)構(gòu)和螺旋換熱管結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的吸氫質(zhì)量設(shè)為定值5.24 g，比較二者吸放氫性能。內(nèi)壁面翅片換熱面積為242.61 cm2，螺旋換熱管換熱面積為74.24 cm2。圖6表示了二者吸氫過(guò)程中的平均溫度和質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度變化曲線。

由圖6a中曲線可看出，在整個(gè)吸氫過(guò)程中，前半段內(nèi)壁面翅片結(jié)構(gòu)其換熱性能要優(yōu)于螺旋換熱管結(jié)構(gòu)，原因在于吸氫過(guò)程中容器內(nèi)均處于高溫狀態(tài)，內(nèi)壁面翅片結(jié)構(gòu)的容器其換熱壁面積較大，而故其散熱效果好，吸氫速率快、平均溫差??；而后半段容器內(nèi)遠(yuǎn)離換熱壁的位置溫度高，此時(shí)螺旋換熱管距離高溫區(qū)域比較近，其散熱效率高于內(nèi)壁面翅片換熱結(jié)構(gòu)。對(duì)于放氫過(guò)程，由圖6b可知，兩種結(jié)構(gòu)容器表現(xiàn)的傳熱性能與吸氫過(guò)程一致，只是過(guò)程的傳熱方向發(fā)生了變化。

圖7與圖8分別為兩種結(jié)構(gòu)容器吸氫過(guò)程與放氫過(guò)程中不同時(shí)間的溫度云圖。

由圖7與圖8的溫度云圖可知，吸/放氫過(guò)程的后期，內(nèi)壁面翅片結(jié)構(gòu)只有容器內(nèi)壁面與中心之間存在較大溫差，而螺旋換熱管結(jié)構(gòu)中螺旋換熱管與容器內(nèi)壁面都有較大溫差，故相比之下其傳熱效率更高、吸/放氫速率更快。童亮等［18］對(duì)盤管式換熱器的金屬氫化物模型做了簡(jiǎn)化與模擬，模擬結(jié)果表明由于反應(yīng)器和螺旋管內(nèi)部水之間的熱傳遞，螺旋管附近區(qū)域的溫度比其他區(qū)域的溫度低，且螺旋管附近的合金材料更早達(dá)到飽和，這與本文中的研究結(jié)果基本一致。

吸氫過(guò)程中內(nèi)壁面翅片結(jié)構(gòu)容器內(nèi)最高平均溫度334.05 K，且達(dá)到最大吸氫量90%所用時(shí)間1200 s，而螺旋換熱管結(jié)構(gòu)分別為335.85 K和1040 s；放氫過(guò)程中內(nèi)壁面翅片結(jié)構(gòu)容器內(nèi)最低平均溫度290.66 K，達(dá)到最大放氫量90%所用時(shí)間2180 s，而螺旋換熱管結(jié)構(gòu)分別289.69 K與1915 s。因此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)E，即內(nèi)部加螺旋換熱管結(jié)構(gòu)的金屬氫化物儲(chǔ)氫容器具有非常良好的儲(chǔ)氫性能。

3 結(jié) 論

基于COMSOL Multiphysics 5.5有限元模型，分析5種結(jié)構(gòu)吸放氫時(shí)合金溫度與質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：

1）結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面翅片和螺旋換熱管結(jié)構(gòu)能顯著提高儲(chǔ)氫容器吸放氫過(guò)程中的吸/放氫速率，縮短吸/放氫時(shí)間，提升綜合性能。

2）結(jié)構(gòu)外壁面翅片的儲(chǔ)氫容器吸/放氫性能未提高，中間換熱管以及帶翅片的中間換熱管結(jié)構(gòu)均降低了吸/放氫性能，這兩種結(jié)構(gòu)都不屬于較佳方案。

3）以定量?jī)?chǔ)氫質(zhì)量的方式比較內(nèi)壁面翅片和螺旋換熱管結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁面翅片儲(chǔ)氫容器在吸/放氫過(guò)程前段速率較快，而螺旋換熱管結(jié)構(gòu)則是后段速率較快；綜合分析，帶有螺旋換熱管結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氫容器綜合性能較好。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" 曹湘洪. 氫能開發(fā)與利用中的關(guān)鍵問(wèn)題［J］. 石油煉制與化工， 2017， 48（9）： 1-6.

CAO X H. Key to development and application of hydrogen energy［J］."" Petroleum"" processing"" and"" petrochemicals， 2017， 48（9）： 1-6.

［2］"""" NASHCHEKIN M D， MINKO K B， ARTEMOV V I. Numerical analysis of constructive and regime parameter effects on the efficiency of metal hydride systems for hydrogen""" purification［J］.""" Case""" studies""" in""" thermal engineering， 2019， 14： 100485.

［3］"""" 劉云， 景朝俊， 馬則群， 等. 固體儲(chǔ)氫新材料的研究進(jìn)展［J］. 化工新型材料， 2021， 49（9）： 11-14， 19.

LIU Y， JING C J， MA Z Q， et al. Research progress on new solid-state hydrogen storage material［J］. New chemical materials， 2021， 49（9）： 11-14， 19.

［4］"""" 張曉飛， 蔣利軍， 葉建華， 等. 固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的研究進(jìn)展［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（6）： 345-354.

ZHANG X F， JIANG L J， YE J H， et al. Research progress"" of"" solid-state" hydrogen" storage" technology［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（6）： 345-354.

［5］"""" SREERAJ R， AADHITHIYAN A K， ANBARASU S. Integration of thermal augmentation methods in hydride beds for metal hydride based hydrogen storage systems： review and recommendation［J］. Journal of energy storage， 2022， 52： 105039.

［6］"""" YE Y， LU J F， DING J， et al. Numerical simulation on the storage performance of a phase change materials based metal hydride hydrogen storage tank［J］. Applied energy， 2020， 278： 115682.

［7］"""" 鮑澤威， 朱澤志， 牟曉鋒， 等. 金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)器放氫特性的數(shù)值模擬［J］. 工程科學(xué)與技術(shù)， 2021， 53（2）： 151-157.

BAO Z W， ZHU Z Z， MOU X F， et al. Numerical simulation of hydrogen desorption characteristics in metal hydride"" reactor""" for""" hydrogen""" storage［J］."" Advanced engineering sciences， 2021， 53（2）： 151-157.

［8］"""" FRENI A， CIPITI F， CACCIOLA G. Finite element-based simulation of a metal hydride-based hydrogen storage tank［J］. International journal of hydrogen energy， 2009， 34（20）： 8574-8582.

［9］"""" GKANAS E I， GRANT D M， KHZOUZ M， et al. Efficient hydrogen storage in up-scale metal hydride tanks as possible metal hydride compression agents equipped with aluminium extended surfaces［J］. International journal of hydrogen energy， 2016， 41（25）： 10795-10810.

［10］""" BUSQUé R，TORRES R，GRAU J， et al. Effect of metal hydride properties in hydrogen absorption through 2D-axisymmetric modeling and experimental testing in storage canisters［J］." International" journal" of" hydrogen" energy， 2017， 42（30）： 19114-19125.

［11］""nbsp; CUI Y H， ZHANG Z L， ZENG X G， et al. Numerical analysis of heat and mass transfer during hydrogen absorption in metal hydride beds with a novel peridynamic model［J］."" Applied"" thermal"" engineering，"" 2022，" 209：118294.

［12］""" ASKRI F. Study of two-dimensional and dynamic heat and mass""" transfer""" in""" a""" metal-hydrogen""" reactor［J］."" International" journal" of" hydrogen energy，" 2003，" 28（5）： 537-557.

［13］""" BEN NASRALLAH S， JEMNI A. Heat and mass transfer models in metal-hydrogen reactor［J］. International journal of hydrogen energy， 1997， 22（1）： 67-76.

［14］""" SANDROCK G， THOMAS G. The IEA/DOE/SNL on-line hydride databases［J］. Applied physics A， 2001， 72（2）： 153-155.

［15］""" CHUNG C A， HO C J. Thermal-fluid behavior of the hydriding and dehydriding processes in a metal hydride hydrogen"" storage"" canister［J］." International"" journal"" of hydrogen energy， 2009， 34（10）： 4351-4364.

［16］""" YANG F S， MENG X Y， DENG J Q， et al. Identifying heat and mass transfer characteristics of metal hydride reactor"""" during"""" adsorption-parameter"""" analysis"""" and numerical"" study［J］." International" "journal"" of"" hydrogen energy， 2008， 33（3）： 1014-1022.

［17］""" JEMNI A， BEN NASRALLAH S， LAMLOUMI J. Experimental and theoretical study of ametal-hydrogen reactor［J］."" International"" journal"" of"" hydrogen energy， 1999， 24（7）： 631-644.

［18］""" TONG L， XIAO J S， YANG T Q， et al. Complete and reduced models for metal hydride reactor with coiled-tube heat"" exchanger［J］." International"" journal"" of"" hydrogen energy， 2019， 44（30）： 15907-15916.

SIMULATION RESEARCH OF HYDROGEN ABSORPTION AND DESORPTION PROCESS IN METAL HYDRIDE

HYDROGEN STORAGE VESSEL

Yuan Tian1，Liu Xuewu2

（1. Guangzhou Industry amp; Trade Technician College， Guangzhou 510425， China；

2. School of Chemical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

Abstract：In this work， the mathematical model of hydrogen absorption/desorption of metal hydride was established based on hydrogen storage alloy LaNi5， besides， the model was simulated by COMSOL. Based on this model， the effects of straight tube， fin tube and spiral tube structure on hydrogen absorption and desorption performance of hydrogen storage vessel were analyzed. The results indicate that the hydrogen storage vessels with internal fins or spiral tubes can significantly improve the hydrogen absorption/desorption performance. The temperature cloud diagram shows that the heat transfer in the structure of internal wall fins of vessel is from the heat exchange wall to the center of the container， while the heat transfer in the vessel with spiral tubes is from spiral tube to all sides which makes the metal hydride hydrogen storage vessel with spiral tube have higher heat transfer efficiency. Compared with the basic model， the time required to reach 90% of the maximum hydrogen absorption/desorption capacity of the hydrogen storage vessel with spiral tube is reduced by 31.58% and 31.12% respectively.

Keywords：hydrogen storage alloy； heat exchange fins； heat transfer performance； hydrogen storage vessel； spiral tube